Aktuality SHMÚ

Dynamicko-klimatologické zhodnotenia januára 2018

11.2.2018 | METEOROLÓGIA | ANALÝZA | CYRIL SIMAN

V nasledujúcom článku budeme hodnotiť počasie na území Slovenska v januári 2018. Zameriame sa pritom predovšetkým na analýzu cirkulačných pomerov, ktoré mali rozhodujúci vplyv na chod meteorologických prvkov v priebehu celého mesiaca. Cieľom príspevku je tiež ponúknuť čitateľovi iný pohľad na možnosti hodnotenia počasia vo vybranom období, pričom ide súčasne o pokus o prienik meteorologických a klimatologických metód spracovania. Takúto možnosť ponúka dynamická klimatológia. V úvode článku si preto dovoľujeme širšie predstaviť túto subdisciplínu klimatológie ako aj predmet jej záujmu. Podobným spôsobom sme naposledy spracovali priebeh počasia v decembri v článku Meteorologické zhodnotenie decembra 2017, za ktorým nasledovalo klimatologické zhodnotenie decembra 2017.

Úvod

Dynamická klimatológia je časťou klimatológie, ktorá sa zaoberá štatistickým a analytickým spracovaním časových radov meteorologických a klimatologických pozorovaní podľa synoptických typov počasia, typu atmosférickej cirkulácie, prípadne podmienok radiačnej a energetickej bilancie. Problémom dynamickej klimatológie je zvolenie vhodného systému klasifikácie a určitá miera subjektivity pri posudzovaní synoptických máp, z ktorých sa pri takejto analýze vychádza. V súčasnosti sa využíva aj objektívna analýza polí meteorologických prvkov (mapa prízemného barického poľa, teplota vzduchu v hladine 850 hPa a pod.). Cieľom takejto analýzy je rozdelenie synoptických typov do čo možno najmenšieho počtu skupín tak, aby mali typické spoločné vlastnosti rozloženia tlakových útvarov a im zodpovedajúceho stavu počasia (definícia prebratá z Lapin a Tomlain, 2001).

Pri dynamicko-klimatologickom spracovaní sa v prvom kroku štatisticky spracuje výskyt dní s jednotlivými typmi počasia v rozdelení podľa danej klasifikácie. Ďalším krokom je výber vhodného klimatického prvku na spracovanie skupinových početností s jednotlivými synoptickými situáciami. Takýmto spôsobom môžeme napríklad vyhodnotiť závislosť prírastkov snehovej pokrývky na výskyte určitých synoptických situácií alebo citlivosť vybraných staníc na vyššie zrážkové úhrny pri južných alebo severných cyklonálnych situáciách a pod.

Všeobecnú cirkuláciu atmosféry môžeme klasifikovať viacerými spôsobmi. Jedným z nich je napríklad analýza vplyvu zonálnej (prúdenie vzduchu pozdĺž rovnobežiek - rozlišuje sa západná alebo východná zonalita) alebo meridionálnej zložky prúdenia (prúdenie vzduchu pozdĺž poludníkov - rozlišuje sa južná alebo severná meridionalita) na formovaní určitých typov počasia. Ďalším prístupom je rozlišovanie vzduchových hmôt na základe určitých spoločných vlastností. Nórska meteorologická škola zaviedla v synoptickej metóde analýzy počasia delenie vzduchových hmôt na morské a kontinentálne. V závislosti na geografickej oblasti, v ktorých sa formujú, rozlišujeme:

Arktickú vzduchovú hmotu,
Polárnu vzduchovú hmotu (alebo tiež vzduchová hmota miernych zemepisných šírok),
Tropickú vzduchovú hmotu,
Ekvatoriálnu vzduchovú hmotu.

Na klasifikáciu synoptických situácií sa u nás najčastejšie používa tzv. česko-slovenská klasifikácia synoptických typov počasia. Tá sa v synoptickej službe Českého a Slovenského hydrometeorologického ústavu spracováva od roku 1946, na web stránke SHMÚ je táto klasifikácia synoptických situácií po jednotlivých dňoch dostupná od roku 1991.

Radiačná a energetická bilancia

V dynamicko-klimatologickom spracovaní počasia je potrebné sa venovať aj podmienkam radiačnej a energetickej bilancie danej oblasti. V ďalšej časti textu sa preto budeme venovať vysvetleniu pojmov radiačná a energetická bilancia a opisu ročného a denného chodu niektorých z ich zložiek aj so zameraním na Slovensko.

Slnečné žiarenie je základným a v podstate jediným zdrojom energie pre klimatický systém Zeme (iné zdroje energie sú zanedbateľné). Časové a priestorové zmeny radiačnej a energetickej bilancie medzi aktívnym povrchom (plocha prostredníctvom ktorej dochádza k odrazu a premene slnečného žiarenia na iné druhy energie, predovšetkým na teplo) a atmosférou sú dané predovšetkým astronomickými faktormi (zenitová vzdialenosť Slnka, vzdialenosť Zeme od Slnka). V našich zemepisných šírkach pozorujeme počas roka výrazný chod extraterestriálnej insolácie (slnečné žiarenie na hornej hranici atmosféry), ktorý je zapríčinený vyššie spomenutými astronomickými faktormi. Pri svojom prechode atmosférou dochádza ku kvantitatívnym, ale aj kvalitatívnym zmenám slnečného žiarenia (dôsledkom absorpcie a rozptylu žiarenia) a preto je jeho intenzita, pri dopade na horizontálnu plochu zemského povrchu (tzv. insolácia) nižšia ako na hornej hranici atmosféry. Súčet priameho a difúzneho žiarenia nazývame globálnym žiarením, ktorého intenzita závisí výrazne napríklad od množstva oblačnosti alebo od zakalenia atmosféry. Priemerná mesačná suma globálneho žiarenia je na území Slovenska prirodzene najnižšia v decembri. Vtedy je u nás najkratší deň, slnko je nízko nad horizontom a slnečné lúče tak musia prekonávať väčšiu hrúbku atmosféry. Najmä v nižších polohách je aj pomerne veľa nízkej oblačnosti a pri častom výskyte stabilného teplotného zvrstvenia je aj zvýšené zakalenie atmosféry pevnými aerosólmi (najmä v mestách). Napríklad v Hurbanove dosahuje v decembri intenzita globálneho žiarenia menej ako 1/3 z hodnoty na hornej hranici atmosféry, pri jasnej oblohe je to menej ako 1/2 z hodnoty na hornej hranici atmosféry. O niečo vyššie hodnoty globálneho žiarenia majú v zimných mesiacoch štítové polohy našich najvyšších pohorí. Aj keď priemerná mesačná suma globálneho žiarenia je už v mesiaci január o málo vyššia ako v decembri (obr. 1), zmeny v intenzite priameho slnečného žiarenia (na hornej hranici atmosféry, prípadne pri jasnej oblohe aj na zemskom povrchu) sú medzi týmito mesiacmi prakticky zanedbateľné.

Výsledkom všetkých tokov žiarenia (dlhovlnného aj krátkovlnného), ktoré sú v systéme aktívny povrch - atmosféra pohlcované, odrážané a vyžarované je bilancia slnečného žiarenia (B_z), ktorú môžeme vyjadriť vzťahom:

B_z (bilancia) = (S + D) (1 - A) - (Ez - (1 - Al) Ea),

Prvé dva členy (S+D) (1 - A) v pravej časti rovnice vyjadrujú celkové žiarenie dopadajúce na zemský povrch (S + D), zmenšené o odrazenú časť (1 - A). Ďalšie členy v pravej časti rovnice vyjadrujú rozdiel medzi intenzitou dlhovlnného vyžarovania zemského povrchu (Ez) a spätného žiarenia atmosféry (Ea) - tzv. efektívne vyžarovanie, ale tiež albedo dlhovlnného žiarenia (1 - Al).

Radiačná bilancia dosahuje záporné hodnoty v noci (žiadny tok žiarenia zo slnka a intenzívne vyžarovanie zemského povrchu) a kladné počas dňa. V našich zemepisných šírkach môže byť radiačná bilancia záporná aj cez deň, a to predovšetkým v decembri, teda v dňoch okolo zimného slnovratu (celková radiačná bilancia má v decembri na území Slovenska hodnotu okolo -10 kWh.m^-2 (podľa Hrvoľ a Tomlain, 1997)). Jej hodnoty sú výrazne ovplyvnené napríklad oblačnosťou, vlhkosťou vzduchu, charakterom aktívneho povrchu, pretože napríklad čerstvá snehová pokrývka má výrazne vyššie albedo (pomer odrazeného k dopadajúcemu slnečnému žiareniu) ako tmavá ornica a pod. Je preto dôležité či počas zimných mesiacov v danej lokalite je alebo nie je súvislá snehová pokrývka. V prípade, že sa na našom území vyskytuje snehová pokrývka, je málo oblačnosti a je aj suchý vzduch dochádza v noci k výraznejšiemu poklesu teploty vzduchu prostredníctvom radiačného ochladzovania.

Výsledkom transformácie slnečného žiarenia, ktoré získa zemský povrch na turbulentný tok tepla do atmosféry (alebo jednoducho ohrev atmosféry) (H), latentný tok tepla (alebo jednoducho výpar) (LE) a tok tepla do pôdy (Q) nazývame energetickou bilanciou zemského povrchu, ktorú môžeme zapísať nasledovne:

B_e = H + LE + Q

Z rovnice energetickej bilancie (B_e) je dobré si uvedomiť, že toky H a LE majú veľmi nevyrovnaný denný chod. Latentný tok tepla (LE) je teplo, ktoré je spotrebovávané na zmenu skupenstva vody pri kondenzácii a výpare. Dosahuje maximálnych hodnôt okolo poludnia, kedy je zvyčajne najvyššia teplota vzduchu, najnižšia relatívna vlhkosť vzduchu a v dennom chode zvyčajne aj najsilnejší vietor, najmä v lete v nižších polohách (intenzívnejšie turbulentné premiešavanie prízemnej vrstvy vzduchu). Naopak najnižšie hodnoty zaznamenávame v noci. Turbulentný tok tepla do atmosféry (H) mení svoju orientáciu (smerom k atmosfére alebo k aktívnemu povrchu) v súvislosti s denným chodom turbulencie. Najvyššie hodnoty sú v období insolácie tesne predpoludním, pričom ešte pred západom slnka sa orientácia mení z atmosféry k aktívnemu povrchu a v noci dosahuje minimum. Na tok tepla do pôdy vplývajú najmä vlastnosti substrátu (pôda, horniny), pričom je priamo úmerný jej vodivosti. Najvyšší je vo vlhkých pôdach s malým obsahom vzduchu. Nízku vodivosť majú suché piesočnaté pôdy. Pri ročnom chode jednotlivých zložiek energetickej bilancie aktívneho povrchu platia v miernom klimatickom pásme podobné zákonitosti ako pri dennom chode. Najvyššie hodnoty sú dosahované v lete, pričom v zimných mesiacoch sú dokonca záporné (transport tepla z povrchu predovšetkým dlhovlnným vyžarovaním je nedostatočne nehradený tokom energie zo slnka a z podložia aktívneho povrchu). Aj v tomto prípade môže výslednú hodnotu energetickej bilancie ovplyvniť viacero faktorov. Z viacerých spomenieme opäť význam snehovej pokrývky, ktorá vďaka jej špecifickým vlastnostiam (vysoké albedo, vysoká izolačná schopnosť snehu) obmedzuje výmenu energie medzi podložím a atmosférou. Dôsledkom toho znižuje snehová pokrývka tepelné straty z podložia, ale spôsobuje napríklad aj prevládanie stabilného teplotného zvrstvenia, keďže väčšina žiarivej a tepelnej energie sa spotrebuje na jej topenie a len veľmi málo na ohrev prízemnej vrstvy atmosféry. Význam to má predovšetkým v jarných mesiacoch, kedy prítomnosť snehovej pokrývky spomaľuje otepľovanie.

Rovnicu energetickej bilancie (B_e) sme uviedli v zjednodušenom tvare. Zanedbali sme napríklad výmenu energie molekulárnym vedením, ktoré ma v porovnaní s LE a H nízku intenzitu. Zložitejší tvar nadobúda energetická bilancia napríklad aj v urbanizovaných oblastiach.

Obr. 1: Priemerné mesačné sumy globálneho žiarenia na horizontálnu plochu v období 1951 - 1980 na vybraných staniciach na území Slovenska (zdroj: 2. prednáška - slnečná radiácia, slnečný svit a oblačnosť, Klíma strednej Európy a Slovenska, prof. M. Lapin; autor grafu Dr. J. Hrvoľ).

------------------------------------------------------------------

Cirkulácia atmosféry, synoptické typy počasia, prevládajúce prúdenie a vzduchové hmoty na území Slovenska v januári 2018

Zmeny geografických faktorov na území Slovenska sú dlhodobo prakticky nulové, ale ich vplyv na počasie na našom území rozhodne nemôžeme zanedbať. Viackrát sme o vplyvoch geografických faktorov na chod meteorologických prvkov na území Slovenska písali aj v našich analýzach (1, 2, 3).

Rozhodujúci vplyv na charakter počasia v jednotlivých častiach roka majú, okrem podmienok radiačnej a energetickej bilancie a geografických faktorov, predovšetkým aj cirkulačné podmienky, ktorým sa budeme venovať v ďalšej časti textu.

Pre charakter počasia na území Slovenska mal v januári 2018 rozhodujúci vplyv prenos teplejšej a vlhkej vzduchovej hmoty z Atlantického oceánu do strednej Európy, pričom veľmi podobne ako v predošlom mesiaci (dá sa povedať, že ešte výraznejšie) absentovali vpády studeného arktického vzduchu zo severu. Na začiatku mesiaca bola poloha výškovej frontálnej zóny približne na úrovni nášho územia a v strednej Európe prevládalo západné prúdenie s častou výmenou teplejšej a chladnejšej vzduchovej hmoty. Väčšinou sa nad našim územím udržiavala morská polárna vzduchová hmota, z typov synoptickej situácie to bola spočiatku putujúca brázda neskôr západná cyklonálna situácia.

V závere prvej januárovej pentády sa začal medzi azorskou tlakovou výšou a tlakovou nížou nad Britskými ostrovmi a Škandináviou prepadať studený vzduch do nižších zemepisných šírok a nad západnou Európou sa prehĺbila brázda nízkeho tlaku vzduchu. Po jej prednej strane k nám od 5. do 10.1. prúdil teplý, prechodne až veľmi teplý, vzduch od juhozápadu až juhu. V dňoch 6. a 7.1. k nám pri juhozápadnej cyklonálnej situácii (obr. 2) prechodne prúdil morský tropický vzduch a napríklad na stanici v Hurbanove sme zaznamenali najteplejší 6. január minimálne od roku 1901. Maximum teploty tu dosiahlo 14,6 °C, rekordne teplo bolo v tento deň aj v Oravskej Lesnej, v Liesku a v Poprade.

Ešte počas tohto obdobia, kedy sme na území Slovenska mali mimoriadne teplé počasie, dochádzalo k prestavbe tlakových útvarov v oblasti severnej Európy. Do oblasti Škandinávie prúdil práve v spomínaných dňoch studený arktický vzduch a došlo k zmohutneniu tlakovej výše v tejto časti Európy. Po jej prechodnom zoslabnutí a opätovnom zmohutnení nad petrohradskou oblasťou, začal dňa 12.1. prúdiť od severovýchodu až východu nad naše územie studený kontinentálny polárny vzduch (obr. 3). Vzhľadom na polohu riadiacich tlakových útvarov sme túto situáciu predbežne klasifikovali ako východnú anticyklonálnu situáciu. Zaujímavé je si pri tejto synoptickej situácii všimnúť výrazný vplyv karpatského oblúka na prúdenie studeného vzduchu od východu do strednej Európy. Ochladenie vrcholilo na našom území v dňoch 14. až 16.1., kedy sa aj v nížinách vyskytovali celodenné mrazy (najmä 16.1.). Aj napriek tomu, že išlo o jedno z najchladnejších období, ktoré sa u nás vyskytlo v priebehu januára 2018, silnejšie nočné mrazy sa vyskytli len v najchladnejších častiach nášho územia (najchladnejšie bolo 15.1. v obci Mlynky, -14,8 °C).

Chladnejšie obdobie prerušil prechod frontálneho systému v utorok 16.1., za ktorým k nám začal od západu až severozápadu prúdiť chladný morský vzduch (morská polárna vzduchová hmota má iné vlastnosti ako kontinentálna a v zime prináša do strednej Európy často oteplenie). V dňoch 17.1. až 21.1. prevládalo v našej oblasti počasie typické pre západnú cyklonálnu situáciu a nad naším územím sa aj naďalej udržiavala morská polárna vzduchová hmota s teplotou vo výške 1500 m n. m. vo voľnej atmosfére okolo -5 °C (obr. 4). V dňoch 20.1. až 22.1. sa z oblasti Severného mora cez strednú Európu až nad východné Stredomorie rýchlo presúvala tlaková níž a po jej zadnej strane k nám od severu len prechodne prúdil ešte o niečo chladnejší vzduch s vrcholom ochladenia vo voľnej atmosfére dňa 22.1. Tento deň bol najchladnejší aj na niektorých našich pozemných (v štandarndej výške 2 m nad povrchom) klimatologických staniciach, a to z pohľadu tak priemernej, ako aj minimálnej dennej teploty vzduchu. Na prelome druhej a tretej januárovej dekády sa vyskytovali aj častejšie snehové zrážky, pričom sa snehová pokrývka prechodne vytvárala aj v nižších polohách (stav snehovej pokrývky dňa 20.1.2018). Dňa 22.1. sme po zmenšení oblačnosti mali prostredníctvom družice s polárnou dráhou letu (v smere poludníkov) možnosť vidieť, že súvislá snehová pokrývka sa nachádzala na takmer celom našom území, s výnimkou krajného juhozápadu územia a niektorých najnižšie položených oblastí vo Východoslovenskej nížine (obr. 5).

Záver januára sa vyznačoval netypicky teplým, prechodne až veľmi teplým, počasím. Ešte dňa 24.1 postupoval cez naše územie ďalej na východ teplý front za ktorým k nám začal prúdiť teplý vzduch. V nasledujúcich dňoch sa v našej oblasti udržiavalo teplejšie západné prúdenie (západná anticyklonálna alebo cyklonálna situácia), pričom dňa 29.1. k nám prechodne prúdil morský tropický vzduch. Tento deň bol predovšetkým na juhozápadnom Slovensku najteplejším v priebehu celého mesiaca (na strednom a východnom Slovensku bol väčšinou najteplejší 6., respektíve 7. január), pričom maximum teploty presiahlo ojedinele 15 °C a viac, a to napríklad na týchto staniciach:

Blahová, 15,9 °C,
Žihárec a Bratislava, letisko, 15,4 °C,
Bratislava, Mlynská dolina, 15,3 °C.

------------------------------------------------------------------

Záver

Priemerné rozloženie tlakových útvarov vo vyšších (obr. 6), ale aj v nižších vrstvách ovzdušia (obr. 7) v Európe a okolí v januári, podmienilo v oblasti strednej Európy pretrvávanie západnej zložky prúdenia (západná zonalita) (obr. 8). Prevažujúci západo-východný prenos teplejšej a vlhšej vzduchovej hmoty z Atlantického oceánu nad kontinent (možnosť pozrieť na animácii nižšie) sa v podstate výraznejšie prerušil len v období od 14.1. do 16.1., kedy k nám naopak prúdil studený vzduch od severovýchodu až východu. Dôsledkom pretrvávajúcej atmosférickej cirkulácie bola teplota vzduchu v hladine 850 hPa v priemere len slabo pod bodom mrazu. Medián z meraní o 12:00 UTC z údajov o teplote vzduchu v hladine 850 hPa zo stanice Gánovce pri Poprade mal v januári hodnotu -3,1 °C, čo je cca 2 °C nad dlhodobým priemerom rokov 1981 - 2010 (obr. 9). Uvedené podmienky sa prejavili aj na chode priemernej dennej teploty vzduchu na našich klasických pozemných klimatologických staniciach (teplota meraná v meteorologickej búdke vo výške 2 m nad povrchom), pričom vo väčšine dní sme zaznamenali jej kladnú odchýlku od dlhodobého priemeru rokov 1981 - 2010 (chod priemernej dennej teploty vzduchu na stanici Bratislava, letisko, Sliač, Poprad, Košice). Veľmi teplé počasie v januári 2018 spôsobilo na niektorých miestach Slovenska prechodné prebúdzanie vegetácie (titulná fotka).

Obr. 2: Synoptická situácia nad Európou dňa 6.1.2018 o 12:00 UTC. Na obrázku vľavo analýza prízemného tlakového poľa, vpravo výška a teplota v geopotenciálnej hladine 850 hPa, v ľavom dolnom rohu porovnanie s typom poveternostnej situácie "juhozápadná cyklonálna situácia".

Obr. 3: Synoptická situácia nad Európou dňa 13.1.2018 o 12:00 UTC. Na obrázku vľavo analýza prízemného tlakového poľa, vpravo výška a teplota v geopotenciálnej hladine 850 hPa, v ľavom dolnom rohu porovnanie s typom poveternostnej situácie "východná anticyklonálna situácia".

Obr. 4: Mesačný chod teploty vzduchu v hladine 850 hPa (približne 1500 m n. m.) o 12:00 UTC v januári 2018 (údaje z aerologických meraní z Gánoviec pri Poprade).

Obr. 5: Záber z polárnej družice SUOMI dňa 22.1.2018 o 13:01 SEČ

Animácia výšky a teploty geopotenciálnej hladiny 850 hPa (zhruba 1400 až 1500 m n. m.) v januári 2018.

Obr. 6: Priemerná výška geopotenciálnej hladiny 500 hPa (vľavo) a odchýlky jej výšky od priemeru rokov 1981 - 2010 (vpravo) v Európe a okolí v januári 2018 (zdroj: https://www.esrl.noaa.gov/psd/cgi-bin/data/composites/printpage.pl)

Obr. 7: Priemerná výška geopotenciálnej hladiny 1000 hPa (vľavo) a odchýlky jej výšky od priemeru rokov 1981 - 2010 (vpravo) v Európe a okolí v januári 2018 (v tomto prípade môžeme s dostatočnou presnosťou povedať, že ide v podstate o analýzu prízemného tlakového poľa).

Obr. 8: Priemerný vektor rýchlosti prúdenia v hladine 850 hPa (vľavo) a odchýlka od dlhodobého priemeru rokov 1981 - 2010 (vpravo). Šípky znázorňujú prevládajúci smer prúdenia a farebné polia jeho rýchlosť.

Obr. 9: Priemerná teplota vzduchu v hladine 850 hPa (vľavo) a odchýlka od dlhodobého priemeru rokov 1981 - 2010 (vpravo).

------------------------------------------------------------------

Literatúra:

Netopil, R., Brázdil, R., Demek, J., Prošek, P. 2018. Fyzické geografie I. Štátne pedagogické nakladateľstvo. Praha, 1984. 273 s.

Lapin., M., Tomlain, J. 2001. Všeobecná a regionálna klimatológia. FMFI UK Bratislava. 183 s. ISBN 80-223-1433-1

Hrvoľ, J., Tomlain, J. 1997. Žiarenie v atmosfére. Vydavateľstvo Univerzity Komenského Bratislava, 136 s.

Objektívna analýza meteorologických polí: https://www.esrl.noaa.gov/psd/cgi-bin/data/composites/printpage.pl

Titulnú fotografiu poslal na fb profil SHMÚ Ondrej Š. (na fotografiách je kvitnúci strom a Jazmín nahokvetý, fotografiu nám poslal 29.1.2018)